乙醇催化制氢研究进展*

氢是未来理想的清洁能源之一,燃料电池特别是燃料电池电动车的发展对氢源和制氢方法提出了新的要求,从乙醇催化制氢已经受到普遍关注。本文对乙醇催化制氢发展的最新研究进展进行了比较详细的综述和讨论。     

铝/水反应可控制氢

铝是地壳中最富有的金属元素,理论上可100%重复利用。铝/水反应所提供的绿色能源--氢能,很有可能解决人类将面临的能源短缺和环境污染问题。本文介绍了铝/水反应可控制氢的原理、反应机理、制氢方法及制氢装置的最新研究进展,并讨论了研发中需解决的问题。铝/水反应制氢的关键在于破坏或抑制铝表面固有的或原位再生的致密钝化膜。该制氢系统的实际应用需具备快速的反应动力学,而制氢装置的设计应综合考虑反应热的利用、燃料电池产生的水循环利用、燃料盒和膜分离技术的应用,使用回收的废铝将降低其生产成本,实现铝基制氢系统的商业化应用。     

氢的制备、储存、安全检测与生物燃料电池研究

目前，化石能源日益枯竭和二氧化碳排放导致的温室效应引起了世界各国的高度关注。约五分之一的二氧化碳是由使用化石燃料的交通工具所导致的。氢能是人类至今为止已知的、最为理想的清洁能源，使用零排放的氢燃料电池驱动交通工具是减少二氧化碳排放的有效手段之一。世界各国把氢能作为战略能源进行研究，我国既是能源短缺国，又是能源消耗最大的国家之一。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》明确指出，能源是未来15年我国科技发展的重要领域，清洁能源低成本规模化开发利用则是重点领域和优先主题。 本文将将简要介绍课题组在铝基材料制氢技术、多孔金属有机框架化合物（MOFs）材料储氢技术、基于石英微天平的氢气安全检测技术和生物燃料电池的有关研究工作。     

铝基材料水解制氢技术

氢能作为一种高焓值的绿色能源在解决未来能源危机和环境污染中备受关注,而铝水反应在众多制氢途径中被认为是最具优势的方法之一。本文着重论述了近几年铝基材料水解制氢技术的研究进展。铝水制氢是一种很有发展前景的储存和运输氢能的方式,但Al表面致密的氧化层阻碍了铝水反应的进行,使其难以在常温常压情况下产生氢气。为充分开发利用氢能源,可采用添加碱、氢化物、金属氧化物、无机盐等方式,或将金属单质与Al通过烧结、熔炼、球磨等先进的技术手段进行复合,能够有效地活化Al,从而实现低环境温度、短诱导时间、快产氢速率、高转化率的铝水反应,为燃料电池电动汽车现场供氢。     

太阳能光催化制氢研究进展

随着人类社会的快速发展和传统能源的急剧消耗,能源紧缺和环境污染已经成为制约人类社会可持续发展的重要因素,构建清洁的环境友好的可再生新能源体系是当前各国高度关注的焦点和重大战略.在众多绿色环保、可持续新能源选项中,半导体光催化制氢因其可利用清洁可再生的太阳能制取高效清洁氢能,有望完全解决能源紧缺和环境污染问题,成为最有应用前景的技术之一. 本文通过概述半导体光催化制氢原理、半导体光电化学及光电稳定性、半导体光催化制氢效率,重点介绍半导体光催化剂、光生电荷分离及光催化制氢体系等方面若干新进展,并对太阳能光催化制氢技术的发展加以评述和展望.     

氨硼烷催化水解制氢

氢气作为全球公认的清洁能源载体,备受关注。寻找安全高效的储氢材料以转型到氢能社会是当前氢能应用面临最大的挑战之一。氨硼烷(NH₃BH₃,AB)具有非常高的储氢质量分数(19.6 wt%)和体积储氢密度(0.145 kgH₂/L),因其在储氢和放氢性能方面的显著优势,被认为是一种颇具应用潜力的化学储氢材料。氨硼烷能够通过热解、醇解和水解放出氢气。其中,氨硼烷水解制氢可以通过催化剂进行可控放氢,且具有反应条件温和、不产生CO(易使催化剂中毒)等优点,被认为是一种安全高效和实用性强的制氢技术。本文简要介绍了氨硼烷的性质和合成,阐述了氨硼烷水解制氢的机理,综述了近年来氨硼烷水解制氢催化剂的研究进展,分析了碱对氨硼烷水解制氢的促进作用,并讨论了水解产物回收利用问题。     

生物油及其衍生物催化重整制氢研究进展

氢气作为最理想的清洁能源之一，在石油、化工、冶金、石化、食品和化肥工业等行业中发挥着重要作用。生物油水蒸气催化重整制氢作为一种具有发展前景且经济可行的绿色制氢技术，近些年来受到了研究者的广泛关注。本工作对近年来该领域的研究进展进行综述，重点分析了生物油(生物原油、水相生物油以及重质生物油/焦油)、生物油模型化合物(羧酸类、醇类、酚类等)和其他生物油衍生物的催化重整产氢过程，包括其在重整反应机理、重整工艺以及催化剂等方面的研究进展。对多种混合模化物以及真实生物油催化重整反应机理的深入探究是目前研究的主要难点，研制节能、高效的催化重整反应器以及开发稳定、高活性的重整催化剂是目前乃至今后生物油催化重整制氢领域研究和推广的重点。     

稀土金属在生物乙醇制氢及其相关反应中的应用

催化生物乙醇制氢有望成为用清洁可再生能源替代化石能源的有效途径,近年来受到广泛关注。本文介绍了制氢的研究概况及燃料电池的相关应用,概括了生物乙醇制氢的优势及反应过程。重点综述了以Ce和La为代表的稀土金属在乙醇制氢反应中的催化效果,并对与制氢反应紧密相关的甲烷水蒸气变换反应、水汽变换反应、CO选择性氧化反应和黑碳氧化反应中稀土金属的催化作用进行了探讨。在综述相关研究进展的基础上为生物乙醇制氢催化剂的开发提供建议。     

太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径

能源是人类生存和发展的物质基础,太阳能作为最丰富的清洁可再生能源之一,其开发利用受到了世界范围内的广泛关注.通过光催化分解水制氢将太阳能以化学能的形式储存起来不仅能利用太阳能制取高燃烧值的氢能,同时氢能可与CO2综合利用结合起来,在减少碳排放的同时,生成高附加值的化学品,实现碳氢资源的优化利用.光催化分解水制氢在过去的几年里取得了长足的进步,本综述从三种研究广泛的太阳能光催化分解水制氢途径(即光催化、光电催化以及光伏-光电耦合途径)入手,分别简要介绍了太阳能分解水制氢在近几年取得的最新研究进展.利用纳米粒子悬浮体系进行光催化分解水制氢成本低廉、易于规模化放大,被认为是未来应用最可行的方式之一,但是太阳能转化利用效率还偏低.最新报道的SrTiO3:La,Rh/Au/BiVO4:Mo光催化剂其太阳能到氢能(STH)转化效率已超过了1.0%,相比之前报道的大多数光催化剂体系有了数量级的飞跃,让人们对太阳能光催化分解水制氢未来的规模化应用看到了希望.高效宽光谱响应的光催化剂、高效电荷分离策略、新型高效助催化剂以及气体分离新方法和新材料等,均是粉末光催化剂体系研究最为关键的问题;光电催化分解水在过去2–3年内发展迅速,在一些典型的光阳极半导体材料(如BiVO4和Ta3N5等)体系上太阳能利用效率超过2.0%以上.最新研究发现,在Ta3N5光阳极的研究中,通过在光电极表面合理设计和构筑空穴传输层和电子阻挡层等策略,光电流和电极稳定性均可得到大幅度提升,光电流大小甚至可接近Ta3N5材料的理论极限电流.如果能进一步在过电位和电极稳定性上取得突破,该体系的STH转化效率还会得到大幅度改进.此外,光阴极的研究也越来越受到了研究者的关注;光伏-光电耦合体系在三种途径里面太阳能制氢效率最高,在多个体系上已超过10%以上,最近报道的利用多结GaInP/GaAs/Ge电池与Ni电催化剂耦合,其太阳能制氢效率可达到22.4%.虽然该种制氢途径的效率已超过其工业化应用的要求,但是光伏电池的成本(尤其是多结GaAs太阳电池)极大限制了其大面积规模化应用,同时还要考虑电催化剂的成本和效率等,光伏-光电耦合制氢是成本最高的太阳能制氢途径.需要指出的是,光伏-光电耦合制氢有望在一些特殊的领域最先取得实际应用,如为外太空航天器、远洋航海以及孤立海岛等传统能源无法满足的地方提供能源供给.总之,太阳能分解水制氢研究取得了一系列重要进展,太阳能制氢效率得到了大幅度提升,也是目前世界范围内关注的研究热点之一,不仅具有强的潜在工业应用背景,更为基础科学提供了诸多新的研究课题.这一极具挑战的研究领域,在先进技术快速发展和基础科学问题认识不断提高的基础上,不久的将来,有望在不久的将来在基础科学和应用研究方面取得重大突破.     

氢能的发展机遇与面临的挑战

氢能作为一种重要的清洁可再生能源受到越来越多的关注。本文首先从能源资源、CO₂减排、大规模能源储存3个方面简略地说明了氢能的发展机遇。 随后更多的是对氢能发展面临的一些挑战进行了介绍,这些也是氢能发展的瓶颈,这些问题不解决,氢能难以产业化应用。所以本文围绕着制氢、储运、基础设施、关键设备、安全等一些领域,对国内外的研究状况以及最新动态进行了介绍,并对一些具体问题和技术做了进一步的说明,给出了一些方向和技术指标。另外,对氢能应用,也提出了一些多样化的建议,可供产业化开发参考。     

基于绿色氢科学理念构筑从低碳制氢到高效储氢的氢能体系

本文从低碳制氢和高效储氢的角度思考及探讨氢能体系绿色化发展过程中的关键科学问题.提出＂绿色氢科学＂理念与＂低碳制氢,高效储氢＂技术发展路线图,以期通过相关科学问题的认识,来构建具有高度原子经济性及可持续性的绿色氢能体系.     

无膜生物电化学制氢反应器的产气特性

研究了无膜生物电化学制氢反应器的设计及产气特性。设计和组装的电化学制氢反应器为无膜电化学制氢反应器。它是以碳毡作为阳极,以负载一定量Ni-Al-Sn（Ni-50%、Al-45%、Sn-5%）合金粉催化剂的石墨板作为阴极,乙酸钠作为电解质。其工作原理是在两极间外加一定电压,阳极区的微生物降解有机物产生电子到达阴极,质子在阴极得到电子生成氢气。主要考察了阳极碳毡数量、环境温度、外加电压等因素对产气速率和氢气选择性的影响。结果表明,当阳极面积为900cm²、环境温度为30℃、外加电压为0.9V时,反应器产气速率最高可达4.21m³/(d·m³),氢气选择性最高为70.4%。     

汽油制氢反应催化剂制备方法研究

对汽油氧化重整制氢反应催化剂制备方法进行了实验 ,研究了双金M N/Al2 O3 预还原与否对汽油制氢反应的活性、生成氢气的选择性及催化剂的稳定性。实验结果表明 ,催化剂的制备方法不同 ,在汽油氧化重制氢反应中催化剂活性、生成氢的选择性不同 ,还原态的好于非还原态的双金属催化剂 ;还原与否对该双金属催化剂的稳定性影响不大。     

催化剂Ni/Y2O3上低温乙醇水蒸气重整制氢研究——氢气预还原对催化剂性能的影响

用浸渍－热分解－氢还原法(IHDHR)和浸渍－热分解法(IHD)分别制备了两种纳米尺寸的Ni/Y2O3催化剂，并应用X-光电子能谱、X-射线衍射、BET比表面测试等分析技术对两种催化剂的结构进行了表征和比较。采用固定床反应器对两种催化剂的催化性能进行实验测试。结果表明，氢气预还原与否对该纳米Ni/Y2O3催化剂的催化性能有一定的影响，经过氢气预还原的催化剂对低温乙醇水蒸气重整反应表现出较高的活性和稳定性，250?℃时，乙醇的转化率达到81.9%；320 ℃时，乙醇的转化率达到95.3%，对氢气的选择性为53.6%。对经过氢预还原的Ni/Y2O3催化剂进行了60 h的稳定性测试。     

Parametric study of catalytic reforming process?

Summary A parametric study of catalytic reforming process in a pilot plant was carried out by varying the pressure, H₂/HC ratio, and space velocity. The results show that lower aromatics and higher hydrogen yields can be accomplished by increasing the space velocity in existing reformers, which will also result in better C₅⁺yield.     

紫外光分解硫化氢制氢的研究

以10W低压汞灯(特征谱线波长,λ=253.7nm,简称UVC)作为光源,硫化钠的水溶液作为反应介质,进行了UVC直接分解硫化氢制氢反应(简称UVC-H₂S-H₂)的研究.考察了反应介质中硫的存在形式、硫化钠的浓度、反应介质pH值以及连续通入硫化氢的流量等反应条件对UVC-H₂S-H₂的影响.实验结果表明,UVC可以在无催化剂条件下直接分解硫化氢制氢.当以0.6mol/L硫化钠水溶液为反应介质,以25mL/h流量连续向反应介质中通入硫化氢时,UVC-H₂S-H₂产氢速率可达3.0mL/W·h.     

分解水制氢的KNO3—I2循环之研究：Ⅲ.代替电解反应的一个子循环

本文提出了一个硫酸中间盐子循环用以代替分解水制氢的KNO_3-I_2混合循环中的电解反应,从而使原混合循环变为一个纯热化学循环。     

Catalytic activity of aluminium and copper-doped magnetite in the high temperature shift reaction

Aluminium and copper-doped magnetite was evaluated as high temperature shift catalyst and compared with a hematite-based sample. The first one is less active but can save energy in industrial processes. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

Metal-Organic Frameworks for Hydrogen Energy Applications: Advances and Challenges

Hydrogen is in limelight as an environmental benign alternative to fossil fuels from few decades. To bring the concept of hydrogen economy from academic labs to real world certain challenges need to be addressed in the areas of hydrogen production, storage, and its use in fuel cells. Crystalline metal-organic frameworks (MOFs) with unprecedented surface areas are considered as potential materials for addressing the challenges in each of these three areas. MOFs combine the diverse chemistry of molecular linkers with their ability to coordinate to metal ions and clusters. The unabated flurry of research using MOFs in the context of hydrogen energy related activities in the past decade demonstrates the versatility of this class of materials. In the present review, we discuss major strategical advances that have taken place in the field of “hydrogen economy and MOFs” and point out issues requiring further attention.     

甲醇-H2能源体系的催化研究:进展与挑战

甲醇是优异的储氢化合物,质量储氢密度高达12.5%。甲醇-氢能源体系着力于解决氢能应用中储存和输送的瓶颈问题,助力氢能的推广和应用。甲醇高效高选择性原位产氢是甲醇-氢能源体系中的重要环节。基于此,本文介绍了甲醇制氢催化研究的最新进展和面临的挑战。从甲醇储氢的优势、经济合理性出发,结合笔者自身研究情况,对甲醇储氢-原位制氢的方式、应用形式及重整产氢催化剂的结构和催化机理研究进行了梳理、总结。期望为甲醇-氢能源体系的催化研究提供参考,促进氢能走向实用。